DE102020203130A1 - Heizungsanordnung - Google Patents

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Simon Dangelmaier
Marcel Hülss
Falk Viehrig
Robin Wanke
Denis Wiedmann
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Mahle International GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (3),- mit einer ersten PTC-Heizeinrichtung (4) mit zumindest einem ersten PTC-Heizelement (5),- mit einer zweiten PTC-Heizeinrichtung (6) mit zumindest einem zweiten PTC-Heizelement (7),Erfindungswesentlich ist dabei,- dass die beiden PTC-Heizeinrichtungen (4,6) in Durchströmungsrichtung (8) nacheinander angeordnet sind,- dass eine Einrichtung (9) vorgesehen ist, über die die beiden PTC-Heizeinrichtungen (4,6) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.Hierdurch kann eine Heizungsanordnung (1) geschaffen werden, die eine breiten Heizleistungsbereich einfach abdeckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizungsanordnung sowie eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Heizungsanordnung.
  • Aus der EP 1 780 061 B1 ist eine gattungsgemäße Heizungsanordnung mit einer ersten Heizeinrichtung mit zumindest einem ersten PTC-Heizelement und einer zweiten Heizeinrichtung mit zumindest einem zweiten PTC-Heizelement bekannt. Die beiden Heizeinrichtungen sind dabei in Durchströmungsrichtung nacheinander angeordnet. Um unterschiedliche Lufttemperaturen erreichen zu können, kann die Heizungsanordnung mit parallelen Luftströmen durchströmt werden, wobei ein erster Luftstrom nur durch die erste Heizeinrichtung und ein parallel dazu strömender zweiter Luftstrom durch die erste und zweite Heizeinrichtung strömt. Die beiden Heizeinrichtungen lassen sich dabei entweder ein- oder ausschalten.
  • Aus der EP 1 452 357 B1 ist ebenfalls eine Heizungsanordnung bekannt, mit einer ersten Heizeinrichtung und einer zweiten Heizeinrichtung, die separat voneinander ansteuerbar sind. Hierdurch soll die erzeugte Wärmemenge für benachbarte Bereiche separat dosierbar sein, insbesondere ohne Klappensteuerung. Auch dabei sind die einzelnen Heizeinrichtungen zur Beeinflussung eines diese durchströmenden Luftstroms ein- oder ausschaltbar.
  • Speziell neue Generationen elektrischer Heizungsanordnungen in Elektrofahrzeugen sollen nicht mehr im 12V-Bordnetz des Fahrzeugs, sondern direkt auf dem Batteriespannungsniveau von 400 V oder in Zukunft sogar 800 V betrieben werden. Beim Aufheizen eines rein elektrischen PTC-Heizers kommt es infolge der Charakteristik eines PTC-Heizelementes zur Selbsterwärmung bei Spannungsbeaufschlagung und zur Reduzierung seines elektrischen Widerstandes bis zu einem Minimum (NTC-Bereich), wogegen es danach zur gewünschten schnellen Abregelung durch die charakteristische Widerstandserhöhung kommt (PTC-Bereich). Der Übergang zwischen dem NTC- und dem PTC-Bereich wird als Umschlagpunkt bezeichnet. Dieser Umschlagpunkt wird bei jeder Zuschaltung des PTC-Heizers durchlaufen, sodass der dabei entstehende Maximalstrom zur Auslegung aller Komponenten, insbesondere auch Leiterbahnen, PCB, IGBT, Stecker usw. berücksichtigt werden muss. Besonders im Aufheizvorgang führt auch eine Pulsweiten Modulation (PWM) zu großen Spannungs- und Stromspitzen, die durch Kapazitäten und Induktivitäten hervorgerufen werden. Die Bordnetzbelastung kann dabei unzulässige Werte überschreiten und Bauteilversagen führen.
  • Elektrische Heizungsanordnungen bestehen dabei in der Regel aus einfachen Heizregistern bzw. Heizeinrichtungen, die aus einer einzigen Heizstufe mit einem oder mehreren PTC-Heizelementen bestehen und einen definierten Arbeitspunkt aufweisen. Um eine geforderte Leistungskurve dabei vollständig abdecken zu können, sind herkömmliche Komponenten somit auf die maximalen Betriebsbedingungen ausgelegt, was zur Folge hat, dass es im Normalbetrieb unnötiger Regelstrategien zur Reduzierung der Leistung bedarf, die wiederum zu einer erhöhten Bordnetzbelastung führen können.
  • Des Weiteren ist auch eine kostengünstige und zuverlässige Temperaturmessung in Kombination mit einer Durchflussmessung aktuell lediglich mittels zusätzlicher Sensorik und regelungstechnischem Aufwand realisierbar.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Heizungsanordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine vergleichsweise einfache individuelle Regelung einer Heizleistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Belastung in einem Bordnetz ermöglicht.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Heizungsanordnung, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, mit einer ersten PTC-Heizeinrichtung mit zumindest einem ersten PTC-Heizelement und mit einer zweiten PTC-Heizeinrichtung mit zumindest einem zweiten PTC-Heizelement auszustatten und diese in Durchströmungsrichtung nacheinander anzuordnen, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels der die beiden PTC-Heizeinrichtungen unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Dies bedeutet, dass beispielsweise für eine geringere geforderte Heizleistung lediglich eine der beiden PTC-Heizeinrichtungen aktiviert wird, während für eine höhere geforderte Heizleistung beide PTC-Heizeinrichtungen aktiviert werden können. Die einzelnen PTC-Heizeinrichtungen können dabei auch unterschiedlich angesteuert werden, beispielsweise mittels konstanter Spannung oder mittels Pulsweitenmodulation.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die erste PTC-Heizeinrichtung eine erste Referenztemperatur T1Ref und die zweite PTC-Heizeinrichtung eine zweite Referenztemperatur T2Refauf, wobei gilt (T2Ref - T1Ref) > 5° Celsius. Die Referenztemperatur einer PTC-Heizeinrichtung wird dabei wie folgt ermittelt: Ein typisches Diagramm eines Widerstandsverlaufs in Abhängigkeit der Temperatur einer PTC-Heizeinrichtung zeigt dabei zunächst einen sogenannten NTC-Bereich (negative temperature coefficient) und anschließend einen PTC-Bereich (positive temperature coefficient). Der Übergang zwischen dem NTC-Bereich und dem PTC-Bereich ist der Umschlagpunkt, kurz auch die Anfangstemperatur TA genannt. Im NTC-Bereich reduziert sich der elektrische Widerstand bei steigender Temperatur bis zu einem Tiefpunkt, nämlich der Anfangstemperatur TA. Bei zunehmender Temperatur steigt der Widerstand wieder an. Die Referenztemperatur TRef wird dabei dadurch bestimmt, dass bei der Anfangstemperatur TA der doppelte Widerstand genommen und von diesem eine Parallele zur Abszisse geführt wird, bis diese Parallele die Widerstandskurve schneidet. In diesem Punkt liegt nun auf der Abszisse abgelesen die Referenztemperatur TRef der jeweiligen PTC-Heizeinrichtung. Der Widerstandsverlauf kann dabei durch eine entsprechende Mischung der für die PTC-Heizeinrichtung verwendeten Materialien bestimmt werden. Durch ein Delta der beiden Referenztemperaturen der ersten und zweiten PTC-Heizeinrichtung von größer als 5° Celsius bzw. größer als 5 Kelvin kann der große Vorteil erreicht werden, dass die gesamte Heizungsanordnung sämtliche Heizleistungen besser und insbesondere belastungsärmer für ein Bordnetz erzeugen kann. Durch ein derartiges ΔTRefvon größer als 5 °C kann auch erreicht werden, dass die einzelnen PTC-Heizeinrichtungen unterschiedliche Arbeitsbereiche aufweisen, wobei sich ein Arbeitsbereich einer derartigen PTC-Heizeinrichtung zwischen einer Nenntemperatur TN und einer Endtemperatur TE erstreckt. Durch die unterschiedlichen Referenztemperaturen kann ein starkes Ansteigen des Widerstandes im Arbeitsbereich verschoben werden, indem die gesamte Widerstandskurve verschoben ist. Dies ist insbesondere dann von großem Vorteil, sofern die zweite PTC-Heizeinrichtung eine höhere Referenztemperatur T2Ref aufweist als die erste PTC-Heizeinrichtung, da die durch die Heizungsanordnung strömende und zu erwärmende Luft zunächst die erste PTC-Heizeinrichtung und anschließend die zweite PTC-Heizeinrichtung durchströmt. Dabei wird die durchströmende Luft oder generell das durchströmende Fluid über die erste PTC-Heizeinrichtung bereits erwärmt und trifft mit einer deutlich höheren Temperatur auf die zweite PTC-Heizeinrichtung. Hierdurch ist es möglich, die gesamte Heizungsanordnung mit den zumindest zwei PTC-Heizeinrichtungen so zu betreiben, dass jede der beiden PTC-Heizeinrichtungen in einem jeweils optimalen Arbeitspunkt bzw. Heizleistungsbereich betrieben werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung gilt (T2Ref - T1Ref) > 10° Celsius oder sogar > 15° Celsius. Je nach vorgesehenem Einsatzgebiet kann es vorteilhaft sein, ein Delta der Referenztemperaturen zu erhöhen, um die jeweiligen PTC-Heizeinrichtungen in ihrem jeweiligen optimalen Arbeitspunkt bzw. Heizleistungsbereich betreiben zu können.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizungsanordnung ist die Einrichtung derart ausgebildet, dass zumindest die zweite PTC-Heizeinrichtung mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar ist. Hierdurch ist es möglich, eine Heizleistung von 0 bis 100 % stufenlos über die Pulsweitenmodulation einzustellen, wodurch insbesondere unterschiedlichste Betriebstemperaturen eingestellt werden können und nicht nur eine einzige, wie beispielsweise bei einer lediglich ein- und ausschaltbaren PTC-Heizeinrichtung.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizungsanordnung weist zumindest die zweite PTC-Heizeinrichtung eine andere Größe und/oder Form auf als die erste PTC-Heizeinrichtung. Durch unterschiedliche Formen und Größen kann ebenfalls Einfluss auf die mit der jeweiligen PTC-Heizeinrichtung erbringbare Heizleistung genommen werden.
  • Zweckmäßig bilden zumindest die erste und die zweite PTC-Heizeinrichtung eine gemeinsame Baugruppe, d. h., diese sind unlösbar miteinander verbunden. Dies bietet den großen Vorteil, dass eine derartige Baugruppe einfach gefertigt und eingebaut werden kann und aufgrund der zumindest zwei Heizregister bzw. zumindest zwei PTC-Heizeinrichtungen eine vorgegebene Leistungskurve großflächig abdeckt.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betrieb einer zuvor beschriebenen Heizungsanordnung mit zumindest zwei PTC-Heizeinrichtungen anzugeben, bei dem eine Heizleistung zumindest einer PTC-Heizeinrichtung mittels Pulsweitenmodulation eingestellt wird. Die andere PTC-Heizeinrichtung kann dabei mit konstanter Spannung betrieben, d. h. lediglich ein- und ausgeschaltet, werden. Hierdurch ist es vergleichsweise einfach möglich, mit der ersten PTC-Heizeinrichtung eine Konstantheizstufe und mit der zweiten PTC-Heizeinrichtung eine fein abstimmbare PWM-gesteuerte Heizstufe zu implementieren. Bei einer minimalen geforderten Heizleistung kann somit beispielsweise lediglich eine, vorzugsweise die zweite, PTC-Heizeinrichtung über eine Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Zur Erhöhung der gewünschten Heizleistung kann die Pulsweite vergrößert werden, bis diese 100 % beträgt. Weist die Heizungsanordnung beispielsweise zwei PTC-Heizeinrichtungen auf, die dieselbe Heizleistung erbringen, so kann über die pulsweitenmodulierte PTC-Heizeinrichtung, hier die zweite PTC-Heizeinrichtung, je nach gewählter Pulsweite eine Heizleistung zwischen 0 und 100 % der zweiten PTC-Heizeinrichtung und damit 50 % der Heizleistung der gesamten Heizungsanordnung eingestellt werden. Soll diese Heizleistung nun gehalten werden, kann die erste PTC-Heizeinrichtung eingeschaltet und mit konstanter Spannung betrieben werden, während die zweite PTC-Heizeinrichtung ausgeschaltet wird. Durch das Ausschalten der pulsweitenmodulierten zweiten PTC-Heizeinrichtung reduzieren sich insbesondere Spannungs- und Stromspitzen und dadurch eine Bordnetzbelastung. Rein theoretisch ist es selbstverständlich auch denkbar, sowohl die erste als auch die zweite PTC-Heizeinrichtung mittels Pulsweitenmodulation anzusteuern und dabei die Pulsweiten beider PTC-Heizeinrichtungen auf jeweils 50 % einzustellen. Dies erfordert jedoch einen höheren Steuerungs-/Regelungsaufwand und erhöht die Belastung für das Bordnetz. Soll die Heizleistung weiter gesteigert werden, so kann beispielsweise die erste PTC-Heizeinrichtung weiter mit konstanter Spannung betrieben werden, während die zweite PTC-Heizeinrichtung mittels Pulsweitenmodulation betrieben und dabei die Pulsweite von 0 bis 100 % gesteigert werden kann. Bei einer abflachenden Leistungsanforderung kann die zugeschaltete zweite PTC-Heizeinrichtung in ihrer Leistung, d. h. in ihrer Pulsweite, wieder reduziert werden. Durch die Überlagerung der Heizleistung der ersten und zweiten PTC-Heizeinrichtung lässt sich der gesamte Arbeitsbereich optimal abdecken, ohne dass die Heizungsanordnung auf vergleichsweise hohe Bordnetzbelastungen von zwei gleichzeitig pulsweitenmodulierten PTC-Heizeinrichtungen ausgelegt werden müsste, da unabhängig vom gewählten Heizleistungsbereich immer nur die zweite PTC-Heizeinrichtung pulsweitenmoduliert ist, während die erste PTC-Heizeinrichtung eine Konstantheizstufe darstellt.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Bereich ausschließlich die zweite PTC-Heizeinrichtung mit einer Pulsweite von 0 % ≤ w ≤ 100 % beaufschlagt und damit eine Heizleistung zwischen H0 ≤ H ≤ H1 eingestellt. Erreicht die Heizleistung H die Heizleistung H1, d. h. H = H1, wird die Pulsweite w der zweiten PTC-Heizeinrichtung auf 0 % heruntergeregelt und damit die zweite PTC-Heizeinrichtung abgeschaltet, während die erste PTC-Heizeinrichtung mit konstanter Spannung ohne Pulsweitenmodulation betrieben und dadurch H = H1 gehalten wird. In einem zweiten Bereich wird nun die erste PTC-Heizeinrichtung weiter mit konstanter Spannung betrieben und die zweite PTC-Heizeinrichtung wieder mittels Pulsweitenmodulation mit einer Pulsweite von 0 % ≤ w ≤ 100 % beaufschlagt. Hierdurch kann eine Heizleistung zwischen H1 ≤ H ≤ H2 eingestellt werden. Mittels eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich somit der gesamte Heizleistungsbereich äußerst fein einstellen und abdecken, wobei lediglich eine PTC-Heizeinrichtung einen erhöhten Regelungsaufwand, d. h. über die Pulsweitenmodulation, erfordert. Dabei ist selbstverständlich klar, dass mittels eines derartigen Verfahrens auch noch weitere PTC-Heizeinrichtungen, so beispielsweise eine dreistufige Heizungsanordnung, ausgeführt werden können.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Heizungsanordnung auszustatten und dadurch die zuvor genannten Vorteile hinsichtlich Reduzierung der Spannungs- und Stromspitzen deutlich zu reduzieren. Hierdurch kann insbesondere eine Bordnetzbelastung auch deutlich reduziert werden, die bei zwei pulsweitenmodulierten PTC-Heizeinrichtungen auftreten würden. Mittels einer derartigen Heizungsanordnung können auch die darin eingesetzten PTC-Heizeinrichtungen bzw. die darin eingesetzten PTC-Heizelemente kleiner ausgebildet werden, da es sich um eine mehrstufige Heizungsanordnung handelt und es somit nicht mehr erforderlich ist, dass die einzelnen PTC-Heizelemente auf die maximalen Bedingungen ausgelegt sind.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch:
    • 1 eine erfindungsgemäße Heizungsanordnung,
    • 2 ein Widerstand-Temperaturverlauf eines möglichen PTC-Heizelements,
    • 3 eine Heizleistung einer pulsweitenmodulierten zweiten PTC-Heizeinrichtung,
    • 4 eine Heizleistung einer nicht pulsweitenmodulierten ersten PTC-Heizeinrichtung,
    • 5 eine kumulierte Heizleistung der ersten PTC-Heizeinrichtung und der zweiten PTC-Heizeinrichtung.
  • Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Heizungsanordnung 1, die beispielsweise in einer Klimaanlage 2 eines Kraftfahrzeugs 3 angeordnet sein kann, eine erste PTC-Heizeinrichtung 4 mit zumindest einem, hier insgesamt drei, ersten PTC-Heizelementen 5 auf, sowie eine zweite PTC-Heizeinrichtung 6 mit zumindest einem, hier ebenfalls insgesamt drei, zweiten PTC-Heizelementen 7. Die beiden PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 sind dabei in Durchströmungsrichtung 8 nacheinander angeordnet und werden deshalb von einem zu erwärmenden Fluidstrom, beispielsweise Luft 10, nacheinander umströmt. Ebenfalls vorgesehen ist eine Einrichtung 9, beispielsweise eine Steuer-/Regelungseinrichtung, über welche die beiden PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Dies bietet den großen Vorteil, dass je nach angeforderter Heizleistung H entweder die erste oder die zweite PTC-Heizeinrichtung 4, 6 oder beide PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 aktiviert werden können.
  • Durch die alternative Ansteuerung beider PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 oder deren kumulative Ansteuerung mit jeweils unterschiedlichen Leistungen ist es erstmals möglich, eine gesamte geforderte Leistungskurve bezüglich einer Heizleistung H komplett abzudecken und nicht nur, wie bisher, einzelne Arbeitspunkte bzw. Ausschnitte des Heizleistungsbereich, wie dies mit herkömmlichen und lediglich ein- und ausschaltbaren elektrischen Heizern möglich war.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizungsanordnung 1 weist die erste PTC-Heizeinrichtung 4 eine erste Referenztemperatur T-1Refund die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 eine zweite Referenztemperatur T2Ref auf, wobei gilt (T2Ref - T1Ref) > 5° Celsius bzw. > 5 Kelvin.
  • Die Referenztemperatur TRef wird dabei wie folgt bestimmt: Gemäß 2 ist eine beispielhafte Widerstand-Temperaturkurve einer möglichen PTC-Heizeinrichtung 4, 6 aufgeführt. Eine derartige PTC-Heizeinrichtung 4, 6 weist dabei bis zu einer Anfangstemperatur TA einen NTC-Bereich (negative temperature coefficient) auf, in welchem der Widerstand R mit zunehmender Temperatur T fällt, bis der Widerstand R an der Anfangstemperatur TA seinen Tiefpunkt erreicht hat. TA wird auch die Temperatur am Umschlagpunkt genannt. Anschließend wechselt die PTC-Heizeinrichtung 4, 6 bei einer weiteren Erwärmung in den PTC-Bereich (positive temperature coefficient), in welchem der Widerstand R mit der Temperatur T stark ansteigt. Die Referenztemperatur TRef wird nun bei jeder PTC-Heizeinrichtung 4, 6 dadurch festgelegt, dass bei der Anfangstemperatur TA der doppelte Widerstand gemäß der 2 also im Beispiel R = 20 Ohm angenommen wird und bei diesem ohmschen Wert ein Schnittpunkt mit der Widerstands-Temperaturkurve im PTC-Bereich gesucht wird. An diesem Punkt wird die zugehörige Referenztemperatur TRef auf der Abszisse abgelesen. Durch die Anordnung zweier, hinsichtlich ihrer Referenztemperatur TRef unterschiedlicher PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 ist es möglich, die beiden PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 näher an deren optimalem Arbeitspunkt betreiben zu können und dadurch sowohl die Leistung der Heizungsanordnung 1 zu verbessern als auch eventuell auftretende Spannungs- bzw. Stromspitzen zu minimieren.
  • Da bei einer Aktivierung der Heizungsanordnung 1 die durchströmende Luft 10 bereits in der ersten PTC-Heizeinrichtung 4 erwärmt wird, ist es günstig, die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 mit einer deutlich höheren Referenztemperatur T2Ref auszubilden, um den optimalen Heizleistungsbereich der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 an das bereits durch die erste PTC-Heizeinrichtung 4 erhöhte Temperaturniveau der Luft 10 anzupassen. Besonders bevorzugt gilt hierbei beispielsweise (T2Ref - T1Ref) > 10° Celsius oder > 15° Celsius, wobei beispielsweise die Referenztemperatur T1Ref der ersten PTC-Heizeinrichtung 4 weniger oder gleich 155° Celsius betragen kann, während die Referenztemperatur T2Ref der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 größer oder gleich 165° Celsius betragen kann. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Luft 10 bzw. generell das durch die Heizungsanordnung 1 strömende Fluid, beim Durchströmen der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 bereits ein höheres Temperaturniveau aufweist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Einrichtung 9 derart ausgebildet, dass sie zumindest die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 mittels Pulsweitenmodulation ansteuern kann. Eine derartige Pulsweitenmodulation ist in der 3 in unterschiedlichen Diagrammen dargestellt, wobei auf der Abszisse die Heizleistung in Prozent und auf der Ordinate die Pulsweite w ebenfalls in Prozent abgetragen ist.
  • In den Diagrammen der 3 bis 5 sind die Heizleistungen H zweier PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 aufgezeichnet, die die gleiche Heizleistung erbringen. Bei jeweils voll aktivierter PTC-Heizeinrichtung 4, 6 bringen diese jeweils 100% ihrer Leistung, was jeweils 50% der Heizleistung der Heizungsanordnung 1 entspricht.
  • Betrachtet man die 3, so kann man in diesem Diagramm eine pulsweitenmodulierte zweite PTC-Heizeinrichtung 6 erkennen, bei welcher die pulsweitenabhängige Heizleistung H im ersten und zweiten Bereich 11, 12 in den Punkten A und B bei 0 % modulierter Pulsweite w, 0% beträgt, während die Heizleistung H in den Punkten C und D bei dortiger 100%-iger Pulsweite w 100% der Heizleistung H der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 beträgt. Die entspricht 50% der Heizleistung der gesamten Heizungsanordnung 1.
  • Im Diagramm der 4 ist die erste PTC-Heizeinrichtung 4 dargestellt, bei welcher keinerlei Pulsweitenmodulation vorgenommen wird, sodass diese lediglich ein- und ausgeschaltet werden kann und dann entweder 0 bzw. 100 % Heizleistung der ersten PTC-Heizeinrichtung 4 erbringt. Gezeigt ist dabei die erste PTC-Heizeinrichtung 4 im ersten Bereich 11 in ausgeschaltetem Zustand und im zweiten Bereich 12 in eingeschaltetem Zustand. Hierbei erbringt sie in eingeschaltetem Zustand 100% der Heizleistung H der ersten PTC-Heizeinrichtung 4, also H1, was 50% der Heizleistung H2 der gesamten Heizungsanordnung 1 bei gleichzeitig aktivierter erster und zweiter PTC-Heizeinrichtung 4, 6 entspricht.
  • Kombiniert man nun diese beiden, unterschiedlich angesteuerten PTC-Heizeinrichtungen 4, 6, so erhält man das Diagramm der 5, in welchem in einem ersten Bereich 11, über den 0 bis 50 % der Heizleistung H der Heizungsanordnung 1 abgedeckt werden kann, ausschließlich die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 mit einer Pulsweite zwischen 0 % ≤ w ≤ 100 % beaufschlagt wird. Hierdurch kann eine Heizleistung H erreicht werden von H0 ≤ H ≤ H1, wobei H1 50 % der Heizleistung der Heizungsanordnung 1 entspricht.
  • Hier kann die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 abgeschaltet bzw. deren Pulsweite w auf 0 % heruntergefahren und anschließend lediglich die erste PTC-Heizeinrichtung 4 aktiviert werden. In diesem Fall würde die Heizleistung H bei H1 verbleiben. Soll nun die Heizleistung weiter gesteigert werden, so kann in einem zweiten Bereich 12 die erste PTC-Heizeinrichtung 4 mit konstanter Spannung weiterbetrieben werden, während die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 mit einer Pulsweite von 0 % ≤ w ≤ 100 % beaufschlagt und dadurch eine Heizleistung H1 ≤ H ≤ H2 eingestellt wird. Hierdurch erfolgt somit ein Überlagern der mit konstanter Spannung betriebenen ersten PTC-Heizeinrichtung 4 und der mit Pulsweitenmodulation angesteuerten zweiten PTC-Heizeinrichtung 6. Hierdurch ist ein komplettes Abdecken einer Heizleistungskurve vergleichsweise einfach möglich.
  • Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass die einzelnen ersten PTC-Heizelemente 5 bzw. die einzelnen zweiten PTC-Heizelemente 7 bzw. die erste PTC-Heizeinrichtung 4 und die zweite PTC-Heizeinrichtung 6 unterschiedliche Größen bzw. Formen aufweisen können oder aber dieselbe Größe und dieselbe Form. Ebenfalls ist selbstverständlich denkbar, dass neben der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 noch zumindest eine weitere PTC-Heizeinrichtung (nicht gezeigt) in Durchströmungsrichtung 8 nach der zweiten PTC-Heizeinrichtung 6 angeordnet ist, wobei die zumindest eine weitere PTC-Heizeinrichtung zumindest ein weiteres PTC-Heizelement aufweist und wobei gilt, dass (TwRef - T2Ref) zumindest > 5° Celsius ist. Hierdurch ist eine weitere feinere Regelung der Heizleistung der Heizungsanordnung 1 möglich.
  • Mit der erfindungsgemäßen Heizungsanordnung 1 und dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es möglich, die Abmessungen der stromtragenden Komponenten, beispielsweise Leiterbahnen, zu reduzieren und auch Spannungs- sowie Stromspitzen und dadurch die Bordnetzbelastung, wodurch das gesamte Bordnetz für geringere Belastungen und damit kostengünstig ausgelegt werden kann. Durch die individuelle Kombinationsfähigkeit der einzelnen PTC-Heizeinrichtungen 4, 6 kann auch eine Boost-Funktion für kurzzeitige Maximalleistungen vergleichsweise einfach zur Verfügung gestellt werden, hier durch die pulsweitenmodulierte zweite PTC-Heizeinrichtung 6, ohne dass das gesamte Bordnetz auf vergleichsweise hohe Belastungen ausgelegt werden muss. Darüber hinaus ist auch eine Temperatur- und Volumenstromüberwachung möglich, da die mehrstufige PTC-Heizungsanordnung 1 neben der Funktionalität des Heizens die einzelnen PTC-Heizelemente 5, 7 auch als Messelemente zur Bestimmung physikalischer Größen verwenden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1780061 B1 [0002]
    • EP 1452357 B1 [0003]

Claims (14)

  1. Heizungsanordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (3), - mit einer ersten PTC-Heizeinrichtung (4) mit zumindest einem ersten PTC-Heizelement (5), - mit einer zweiten PTC-Heizeinrichtung (6) mit zumindest einem zweiten PTC-Heizelement (7), dadurch gekennzeichnet, - dass die beiden PTC-Heizeinrichtungen (4,6) in Durchströmungsrichtung (8) nacheinander angeordnet sind, - dass eine Einrichtung (9) vorgesehen ist, über die die beiden PTC-Heizeinrichtungen (4,6) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
  2. Heizungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste PTC-Heizeinrichtung (4) eine erste Referenztemperatur T1Ref und die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) eine zweite Referenztemperatur T2Ref aufweist, wobei gilt: (T2Ref - T1Ref) > 5 °C.
  3. Heizungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass gilt; (T2Ref - T1Ref) > 10 °C, oder - dass gilt; (T2Ref - T1Ref) > 15 °C.
  4. Heizungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) derart ausgebildet ist, dass sie zumindest die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) mittels Pulsweitenmodulation ansteuert.
  5. Heizungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; T1Ref < 155 °C.
  6. Heizungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; T2Ref > 165 °C.
  7. Heizungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) in Durchströmungsrichtung (8) nach der ersten PTC-Heizeinrichtung (4) angeordnet ist.
  8. Heizungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere PTC-Heizeinrichtung in Durchströmungsrichtung (8) nach der zweiten PTC-Heizeinrichtung (6) angeordnet ist, wobei die weitere PTC-Heizeinrichtung zumindest ein weiteres PTC-Heizelement aufweist und wobei gilt (TwRef - T2Ref) > 5 °C.
  9. Heizungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) eine andere Größe und/oder Form aufweist als die erste PTC-Heizeinrichtung (4).
  10. Heizungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste und die zweite PTC-Heizeinrichtung (4,6) eine gemeinsame Baugruppe bilden, das heißt unlösbar miteinander verbunden sind.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Heizleistung einer PTC-Heizeinrichtung (4,6) mittels Pulsweitenmodulation eingestellt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, die erste PTC-Heizeinrichtung (4) ohne Pulsweitenmodulation und die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) mit Pulsweitenmodulation betrieben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, - dass in einem ersten Bereich (11) ausschließlich die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) mit einer Pulsweite von 0% ≤ w ≤ 100% angesteuert und damit eine Heizleistung von H0 ≤ H ≤ H1 eingestellt wird, - dass bei H = H1, die Pulsweite w auf 0% eingestellt und damit die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) abgeschaltet und die erste PTC-Heizeinrichtung (4) mit konstanter Spannung ohne Pulsweitenmodulation betrieben und dadurch H = H1 gehalten wird, - dass in einem zweiten Bereich (12) die erste PTC-Heizeinrichtung (4) mit konstanter Spannung weiter betrieben und die zweite PTC-Heizeinrichtung (6) mit einer Pulsweite von 0% ≤ w ≤ 100% beaufschlagt und damit eine Heizleistung von H1 ≤ H ≤ H2 eingestellt wird.
  14. Klimaanlage (2) eines Kraftfahrzeugs (3) mit einer Heizungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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